Ilko Rahneberg

CALIBRATION OF A NOVEL SIX-DEGREE-OF-FREEDOM FORCE/TORQUE MEASUREMENT SYSTEM

Multi-component force/torque transducers are used in a large field of scientific and industrial applications like robotics, biomechanics and even fluid mechanics. These sensors need to be calibrated for traceable measurements. As the calibration procedure determines the measurement uncertainty, it plays an important role in sensor development for reaching the required measurement specifications. For the application in local Lorentz Force Velocimetry (Ref. 1) a six degree of freedom force/torque sensor for measurement ranges of ± 0.2 N and ± 5 mNm was developed. This sensor can also be adapted to other applications that require multi-dimensional force/torque feedback in the μN- and μNm-range such as tactile dimensional measurements and micro-manipulation. This paper discusses the calibration and the evaluation of the properties of the calibration device and the calibration procedure of the sensor system. After a brief introduction of the sensor design and its working principle the calibration setup is described and the uncertainty contributions to the forces and torques are calculated. Then the calibration procedure is presented and the resulting output signals of the sensor are depicted. As a result of the calibration, the calibration matrix is given with a discussion of its major components.

Wattwaage mit Hebelübersetzung auf Basis eines kommerziellen EMK-Wägesystems

Zusammenfassung Bei Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation wird die auf eine Waagschale wirkende Gewichtskraft eines Wägegutes durch eine elektromagnetische Gegenkraft kompensiert. Nach dem Stand der Technik wird der Zusammenhang zwischen dem, die Gegenkraft erzeugendem Aktorstrom durch eine Spule und der Gewichtskraft des Wägegutes durch Kalibrierung mit Massenormalen hergestellt. Mit der für 2018 zu erwartenden Neudefinition der SI-Einheit der Masse durch Festlegung eines Wertes der Planck-Konstanten wird ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Größen geschaffen, so dass das aus Fundamentalexperimenten bekannte Wattwaagenprinzip zur Kalibrierung von Massen eingesetzt werden kann. Im vorliegenden Artikel wird eine darauf aufbauende Methode zur Bestimmung des Kraftfaktors Bl einer kommerziellen EMK-Wägzelle vorgestellt. Dies geschieht durch die simultane Messung der Spannung über der im Magnetfeld bewegten Spule und deren Geschwindigkeit. Dabei wird im vorgestellten Verfahren die Spule gleichzeitig zur Erzeugung der Bewegung mit einem harmonischen Wechselsignal bestromt. Die Frequenz der harmonischen Bewegung hat hierbei maßgeblichen Einfluss auf die Unsicherheit des resultierenden Kraftfaktors. Eine Trennung der Spannungsanteile über der Spule erfolgt durch simultane Messung von Strom und Spannung an der Spule und Auswertung unter Berücksichtigung der vorliegenden Amplituden und Phasenlagen. Die Spule ist hierbei, wie bei kommerziellen EMK-Wägezellen üblich, über ein mechanisches Hebelwerk angekoppelt. Durch diese Hebelübersetzung ist es möglich, mit einem kompakten elektrodynamischen Aktuator (Spule–Permanentmagnetsystem), einen großen wirksamen Kraftfaktor zu realisieren. Im Ergebnis können mit dem System Kräfte in beliebiger Raumrichtung gemessen bzw. erzeugt werden, wobei die Massebestimmung einen Spezialfall darstellt, für den zusätzlich die lokale Fallbeschleunigung bekannt sein muss. Unter Nutzung der gleichen Methodik kann durch Vertauschung von Eingangs- und Ausgangsgrößen des Formalismus, die EMK-Wägezelle auch als Positionssensor eingesetzt werden. Hierbei erfolgt unter Zuhilfenahme eines Referenzgewichtes (Justiergewichtes) und der Ausgangsspannung des Positionssensors des Wägesystems eine Kalibrierung der Auslenkung des Koppelstücks. Für beide Verfahren werden im Gegensatz zu Fundamentalexperimenten industriell relevante Messunsicherheiten im ppm-Bereich angestrebt. Es werden Messungen für beide Messmodi auf Basis kommerziell verfügbarer EMK-Wägezellen und elektrischer Messtechnik vorgestellt und diskutiert.

Calibration and uncertainty analysis for multicomponent force/torque measurements

Abstract Many applications in research and industry require accurate measurements of force and torque vectors G. Schicker, R. Wegener. Drehmoment richtig messen. Hottinger-Baldwin-Messtechnik, 2002; R. Schwartz. Teil B: Sensoren, Kraft, Masse, Drehmoment. In H.-J. Gevatter and U. Grünhaupt, editors, Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik in der Produktion, VDI-Buch, pages 55–92. Springer, Dordrecht, 2006. as well as their time dependency. This measurement task can be solved by using multicomponent sensors. Despite of their wide distribution there is a lack of official guides for their calibration D. Schwind and H. Raabe. A new Calibration Procedure for Multicomponent transducers. XX IMEKO World Congress, Metrology for Green Growth, Busan, Republic of Korea, September 9–12, 2012. and methods for evaluation of measurement uncertainty. In many applications statically calibrated mulicomponent sensors are used for measurement of dynamic quantities Y.-K. Park, R. Kumme, and D.-I. Kang. Dynamic investigation of a binocular six-component force-moment sensor. Measurement Science and Technology, 13(8):1311–1318, 2002. which causes severe deviations in measurement when the quantity to be measured has a frequency near or above resonance frequency of the transducer. This paper describes the static calibration and a method for uncertainty analysis using the example of a six-component sensor for force and torque. Subsequently the dynamic calibration of such a sensor is discussed. Based on the results of the dynamic calibration an approach for evaluation of dynamic measurement uncertainty is applied.

Multi-component force measurement in micromachining

Abstract An experimental setup for performing micro-scratching tasks and measuring the forces involved in the process is presented in this paper. The main component of the system is a multi-component force and torque sensor based on the principle of electromagnetic force compensation (EMFC). With this device it is possible to perform the micromachining process itself while simultaneously measuring the interaction forces between the tool tip and the test specimen. Experiments were performed with specimens of polished steel, silicon and glass. Planar micro-structures could be produced and tool point interaction forces in the order of some millinewtons were measured during the process.

Dynamische Kalibrierung eines Mehrkomponentensensors für Kraft und Drehmoment

Zusammenfassung Mehrkomponenten Kraft-/Drehmomentsensoren werden in Anwendungen eingesetzt, in denen die Richtung der Kraft- und Drehmomentvektoren sowie deren Betrag nicht bekannt oder zeitlich veränderlich ist. Beispiele hierfür sind in der Robotik, der Strömungsmessung leitfähiger Fluide nach dem Prinzip der Lorentzkraftanemometrie oder in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung zu finden. Entgegen den Anforderungen der Messung findet oft nur eine statische Kalibrierung dieser Sensoren statt, was zu Abweichungen führt, wenn Messgrößen in der Nähe der Resonanzfrequenz des Sensors und darüber erfasst werden sollen. Anhand einer dynamischen Kalibrierung erhält man den Frequenzgang der Sensormechanik, welcher die Grundlage für das Design eines geeigneten Filters zur Kompensation dynamischer Messabweichungen liefert. Im Folgenden werden die dynamischen Eigenschaften eines Mehrkomponenten Kraft-/Drehmomentsensors untersucht indem verschiedene Testsignale mit Hilfe eines Tauchspulaktors eingeleitet werden. Die Messergebnisse werden mit numerischen Berechnungen und statischen Kalibrierwerten verglichen. Für die Kompensation des dynamischen Verhaltens wird ein inverses Filter bestimmt, welches auch als dynamische Kalibrierfunktion angesehen werden kann.

Dynamische Charakterisierung eines Dreikomponenten Kraftsensors mit Hilfe eines Lorentzkraft-Lastwechslers

Zusammenfassung Kraftsensoren basierend auf Dehnungsmesstreifen werden häufig in statischen oder quasistatische Messaufgaben verwendet. Hierfür sind statisch kalibrierte Aufnehmer gut geeignet. Bei dynamischen Messungen treten ab der ersten Resonanzfrequenz des mechanischen Systems eine starke Messabweichungen auf. Dieser Artikel beschreibt daher die dynamische Charakterisierung eines Mehrkomponenten Kraftsensors, welcher für Messungen in der Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung, einem neuartigen Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, eingesetzt wird. Dieses Verfahren basiert auf einer dynamischen Kraftmessung. Für die dynamische Kalibrierung wird ein System vorgestellt, welches die Nutzung verschiedener Testsignale zur Bestimmung der Systemparameter des Kraftsensors ermöglicht. Für verschiedene Testsignale werden Messergebnisse gezeigt und die Hauptursachen für Messabweichungen diskutiert. Basierend auf einer Parameterschätzung kann eine Entfaltung der Sensorcharakteristik anhand eines inversen Filters [1]aus den Messsignalen erfolgen.

Mehrkomponenten-Kraft- und -Drehmomentsensor nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation

Zusammenfassung In vielen Anwendungen wie beispielsweise der Strömungsmesstechnik, in der Robotik oder der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden hochauflösende Mehrkomponentenmessysteme für Kraft und Drehmoment benötigt. Eine Vielzahl der in der Literatur vorgestellten Sensoren basiert auf Messungen der Verformung oder davon abgeleiteter Größen wie Spannung oder Dehnung. Diese Größen können mit verschiedenen Wandlern in elektrische Signale überführt werden. Im Folgenden wird ein neuartiger Sechsachs-Kraft-/Momentensensor vorgestellt, welcher auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation von Kraft und Drehmoment beruht. Das dargestellte System ist für ± 7 N und ± 0.35 N m ausgelegt, wobei das Messprinzip auch auf andere Messbereiche übertragbar ist. Durch das hier vorgestellte Messprinzip, welches ohne mechanische Deformationselemente auskommt, können gleichzeitig eine hohe Messauflösung und eine hohe Überlastsicherheit gewährleistet werden. Zusätzlich werden die Kräfte und Drehmomente ohne Verschiebungen und Verdrehungen der Krafteinleitungsstelle gemessen, was in vielen Anwendungen vorteilhaft ist. Nach einer Einführung in das Funktionsprinzip werden die Komponenten des Systems vorgestellt und deren messtechnische Parameter anhand von Messergebnissen diskutiert. Des Weiteren wird die Anwendbarkeit des Systems für statische und dynamische Messaufgaben untersucht.